Producción estable de hidrógeno verde en un electrolizador PEM

Investigadores dirigidos por Ryuhei Nakamura en el Centro RIKEN para la Ciencia de Recursos Sostenibles (CSRS) en Japón han mejorado su método ecológico y sostenible de extraer hidrógeno del agua mediante el uso de un catalizador especialmente diseñado para la reacción química. Publicado en La catálisis de la naturaleza, el estudio detalla cómo manipularon la estructura 3D del catalizador, lo que condujo a una mejor estabilidad y un aumento de la vida útil del catalizador en casi un 4000%. Los hallazgos tienen un impacto en la capacidad de lograr una economía energética duradera y sostenible basada en el hidrógeno.

La electrólisis del agua mediante membranas de intercambio de protones es un proceso electroquímico ecológico para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno así producido se puede almacenar y utilizar posteriormente. Por ejemplo, cuando se combina con una pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), el hidrógeno almacenado se puede utilizar para impulsar un coche eléctrico. Sin embargo, la electrólisis PEM todavía tiene limitaciones que impiden usos industriales generalizados, como en las centrales eléctricas. En particular, las reacciones químicas necesarias tienen lugar en un ambiente muy ácido y los mejores catalizadores para estas reacciones son metales extremadamente raros, como el iridio. Como explica Nakamura, “escalar la electrólisis PEM a la escala de teravatios requeriría 40 años de iridio, lo que ciertamente es poco práctico y muy insostenible.

Hace casi dos años, Nakamura y su equipo desarrollaron un proceso revolucionario que permitió la electrólisis de agua ácida sin depender de metales raros. Al incorporar manganeso en una red de óxido de cobalto, crearon un proceso que dependía únicamente de metales terrestres comunes y sostenibles. A pesar del éxito, el proceso todavía no era tan estable como debería ser en un electrolizador PEM. Ahora, se han basado en su descubrimiento anterior y han desarrollado un catalizador abundante en la Tierra que dura más.

El nuevo catalizador es una forma de óxido de manganeso (MnO2). El principal hallazgo fue que la estabilidad de la reacción se podía aumentar más de 40 veces cambiando la estructura reticular del catalizador. El oxígeno en la estructura reticular 3D del óxido de manganeso viene en dos configuraciones, plana y piramidal. La versión plana forma enlaces más fuertes con el manganeso y los investigadores descubrieron que aumentar la cantidad de oxígeno plano en la red mejoraba significativamente la estabilidad catalítica.

Probaron cuatro óxidos de manganeso diferentes, que variaban en el porcentaje de oxígeno plano. Utilizando la versión con el mayor porcentaje posible, 94%, la reacción crítica de desprendimiento de oxígeno se puede mantener en ácido durante un mes a 1000 mA/cm.2. La cantidad total de carga transferida en este caso fue 100 veces mayor que cualquier cosa vista en estudios anteriores.

Cuando se prueba en un electrolizador PEM, la electrólisis del agua se puede mantener durante aproximadamente 6 semanas a 200 mA/cm.2. La cantidad total de agua electrolizada en este periodo de tiempo, y por tanto la cantidad de hidrógeno producido, fue 10 veces mayor que la obtenida en el pasado con otros catalizadores de metales no raros. «Sorprendentemente», dice el coautor Shuang Kong, «la estabilidad mejorada no tuvo un costo en la actividad, como suele ser el caso. Un electrolizador de agua PEM que genera hidrógeno con un abundante catalizador de tierra a una velocidad de 200 mA/cm2 es muy eficiente.»

Todavía hay trabajo que hacer. Las aplicaciones industriales normalmente requieren una densidad de corriente estable de 1000 mA/cm2 dura varios años, en lugar de un mes. Sin embargo, los investigadores creen que con el tiempo serán posibles aplicaciones tangibles en el mundo real y contribuirán a la neutralidad de carbono. «Seguiremos modificando la estructura del catalizador para aumentar tanto la densidad de corriente como la vida útil del catalizador», afirma Nakamura. «A largo plazo, nuestros esfuerzos deberían ayudar a lograr el objetivo final de todas las partes interesadas: realizar la electrólisis del agua PEM sin el uso de iridio».

Mientras tanto, los investigadores esperan que sus hallazgos despierten un mayor interés público en la producción sostenible de hidrógeno como una solución realista para reducir el cambio climático relacionado con los combustibles fósiles.